Навигационные системы предназначены для определения местонахождения подвижных объектов. Навигационные системы различаются на космические (глобальные) и наземные. Их классификация представлена на рис. 2.24.
Исторически первыми системами определения местоположения https://avtograf-nk.ru/ подвижного объекта были системы радиопеленгации. Самый простой способ определения пеленга — это механическое вращения направленной антенны и анализ уровня индуцируемого в ней напряжения при сопоставлении с ориентацией антенны в пространстве. В этом случае пеленг определяется из зависимости уровня принимаемого сигнала как функции от угла поворота антенны. Несколько таких антенн (как минимум три, исходя из представлений геометрии) могут определить местонахождение движущегося объекта в пространстве (на местности), если он излучает любой радиосигнал. Системы радиопеленгации таким образом позволяют третьим сторонам получить данные о местоположении подвижного объекта на ограниченной территории и используются для решения специальных задач в военной области, на морском транспорте, авиации и т.п. Остальные системы позволяют получить данные о местоположении как самому движущемуся объекту, так и третьей стороне.
Рис. 2.24. Классификация систем пространственной идентификации
подвижных объектов
В качестве навигационных систем на транспорте в подавляющем случае используются системы GPS (Global Positioning System — глобальные системы позиционирования), которые позволяют определять географические координаты и высоту расположения подвижного объекта с высокой точностью (от 5 до 100 м). Система GPS основана на обработке сигналов спутниковой системы глобального позиционирования Navstar. Система Navstar состоит из 24 спутников и принадлежит Министерству обороны США, которое предоставляет их для гражданских пользователей безвозмездно. С каждого спутника непрерывно передаются радиосигналы: специальным образом закодированные метки времени, позволяющие синхронизировать часы в приемниках GPS, установленных на подвижных объектах, и с очень высокой точностью вычислять время прохождения сигнала от спутника до приемника. Применяемые для кодирования псевдослучайные последовательности дают возможность передавать эту информацию без значительных затрат мощности и принимать ее с помощью антенн очень малого размера. В свою очередь, каждый спутник получает информацию о своих координатах от сети наземных станций слежения. Для определения своего местоположения оборудование GPS, установленное на ПС, должно «увидеть» не менее четырех спутников. Хотя положение точки в двумерной плоскости однозначно определяется с трех точек, четвертый спутник нужен для коррекции времени в приемниках GPS, в которых, в отличие от спутников, имеющих высокоточные атомные часы, используются менее точные кварцевые. Большее количество спутников необходимо для определения координат в трехмерном пространстве (с учетом высоты местности) и для повышения точности измерений, так как сигнал от спутника может быть искажен отражением от высоких зданий, природных препятствий и т.д. Развертывание системы (строительство наземных станций и вывода на орбиту спутников) длилось с 1974 по 1993 г С 1983 г началось использование системы в гражданских целях, причем вводилась специальная коррекция сигнала для снижения точности позиционирования. С 2000 г это ограничение точности было снято.
Система, аналогичная GPS, есть и в РФ. Она называется ГЛОНАСС , и хотя ее развертывание проходило с 1982 по 1995 г, необходимого количества спутников на орбиту выведено не было, и по экономическим причинам в 2001 г ее функционирование было приостановлено. С 2010 г началось восстановление системы, и в настоящее время она полноценно функционирует, но пока менее распространена, чем GPS. Используемые частоты и кодировки сигнала в обеих системах принципиально несовместимы, поэтому ряд фирм выпускает приемники, способные работать одновременно со спутниками как GPS, так и ГЛОНАСС. Это существенно повышает точность и надежность измерений из-за увеличения гарантированного количества спутников, которые используются для навигации.
Вскоре в двух упомянутых систем должна добавиться третья. Европейская система навигации Galileo будет совместима с GPS, но использоваться в гражданских целях. Развертывание системы началось в 2005 г, и его планируется завершить в 2016 г В состав системы будет входить несколько служб с разной функциональностью и точностью позиционирования:
- • открытая общая служба — обеспечение бесплатной навигации с точностью, сравнимой с существующими системами без гарантии 100% покрытие территории, особенно в городах;
- • служба повышенной надежности — предназначена для использования в авиации и на водном транспорте и обеспечивает гарантированный сигнал и систему предупреждения в случае понижения точности позиционирования;
- • коммерческая служба — платный сервис с повышенной точностью определения местоположения в пределах 4 м в горизонтальной плоскости и 8 м в вертикальной;
- • правительственная служба — особо надежный и высокоточный сервис (теоретическая точность позиционирования до 10 см) с использованием кодированного сигнала и со строго контролируемым кругом абонентов; сигнал будет защищен от попыток его имитировать и предназначен прежде всего для использования спецслужбами (полицией, береговой охраной и т.д.), военными и антикризисными штабами в случае чрезвычайных ситуаций;
- • поисково-спасательная служба — обеспечение приема сигналов бедствия и определения места бедствия с возможностью получения ответа от спасательного центра.
С 27 декабря 2012 года в коммерческую эксплуатацию запущена региональная система позиционирования BeiDou ( «Созвездие» Большая
Медведица «») [3] , которая охватывает территорию Китая и сопредельных государств. Китай планирует с увеличением количества спутников довести ее уровень до глобального до 2020 года под названием Compass. Утверждается, что в настоящее время точность позиционирования в этой системе достигает 10 м. Навигатор в китайской системе является не только приемником, но и передатчиком сигнала. Станция мониторинга через два спутника посылает сигнал пользователю. Устройство пользователя после получения сигнала посылает ответный сигнал через оба спутника. Наземная станция по задержке сигнала рассчитывает географические координаты пользователя, определяет высоту по имеющейся базе данных и передает сигналы на устройство пользовательского сегмента.
Кроме задач управления транспортным процессом использование навигационных систем с точки зрения общегосударственных интересов преследует следующие основные цели.
- 1. Информационное обеспечение безопасности перевозок (в первую очередь опасных грузов) с автоматизированным обнаружением мест ДТП и чрезвычайных ситуаций и оперативным взаимодействием с органами МВД, скорой медицинской помощи и МЧС.
- 2. Создание систем с автоматическим определением местоположения АТС, способных в режиме реального времени решать задачи управления транспортными потоками, автоматически принимать сигналы бедствия «SOS» от водителя транспортного средства с информационным взаимодействием с оперативными службами МВД и МЧС.
- 3. Обеспечение управления и передислокации ПС на линии при выполнении мероприятий по ликвидации чрезвычайных ситуаций.
Использование навигационных систем на автотранспорте руководствуется постановлением Правительства Российской Федерации от 25.08.2008 № 641 «Об оснащении транспортных, технических средств и систем аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС / GPS» и развивающем это постановление приказом Минтранса РФ от 09.03.2010 № 55 «Об утверждении перечня видов автомобильных транспортных средств, используемых для перевозки пассажиров и опасных грузов, подлежащих оснащению аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС ши ГЛОНАСС / GPS ».
К сведению
Аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛОНАСС / GPS подлежат оборудованию транспортные средства следующих категорий, которые используются для перевозок:
- • пассажиров категорий М2 и М3;
- • опасных грузов категорий ЕХ / Н или ЕХ / Ш, FL, OX, AT, МЕМЫ согласно Европейского соглашения о международной дорожной перевозке опасных грузов (ДОПОГ).
Несмотря на глобальный характер навигации с использованием технологии GPS, она имеет ряд недостатков, которые существенно влияют на точность получаемых данных. Основные из них:
- • помехи в канале передачи данных между спутниками и приемником GPS;
- • скачкообразные изменения совокупности спутников, на основе которых проводятся измерения;
- • потеря видимости спутников в условиях плотной застройки, горных условиях и в зонах полюсов земного шара;
- • дискретность приемником GPS (например, при скорости ПС 100 км / ч обычный приемник GPS будет проводить измерения только через 30 м пути).
Навигационные системы делятся на две группы: навигационные системы водителя и диспетчерские навигационные системы.
Навигационные системы водителя (НСВ) предназначены для указания с помощью дисплея на приборной панели текущего местоположения ПС водителю, прокладки кратчайшей трассы маршрута, контроля установленного графика движения. Практически все современные НСВ используют для определения местоположения ПС систему GPS или совместно сигнал GPS и ГЛОНАСС, что позволяет увеличить количество одновременно видимых спутников и, соответственно, повысить точность позиционирования. Наибольшая точность НСВ достигается при ее сочетании с трасувальником. В этом случае неизбежны погрешности корректируются по условию минимума среднеквадратической ошибки. Такие системы получили название интегрированных систем GPS — Dead Reckoning GPS (DRGPS). Схема такой системы приведена на рис. 2.25.
Рис. 2.25. Схема работы интегрированной системы GPS
Повысить точность получения навигационных данных также позволяет использование дифференциальной GPS — Differential GPS (DGPS).
Ее принцип основан на использовании двух приемников. Один — ведущий, располагается на опорной станции, координаты которой определены с высокой точностью. Второй приемник располагается на ПС. Так как координаты первого приемника известны, сигналы со спутников могут быть скорректированы для получения правильного значения. Сигнал коррекции передается на приемник ПС. Эффективность коррекции будет зависеть от расстояния между ПС и опорной станцией, а также от качества используемого оборудования.
За плетня выполнения НСВ могут быть:
- • картографические — показывают местоположение и трассу маршрута на карте, отображаемой на относительно большом графическом дисплее;
- • маршрутные — указывают водителю направление движения в соответствии с местонахождением ТС и изготавливаются в виде стандартной магнитолы с небольшим экраном.
По типу действия НСВ могут быть:
- • пассивные — планируют и отслеживают маршрут движения на основании записанной в память или на лазерный диск цифровой карты;
- • управляемые — могут вносить изменения в маршрут на основании информации, полученной от систем управления дорожным движением.
Последний тип НСВ является наиболее перспективным, поскольку позволяет избежать попадания автомобилей в зоны заторов, но требует развитой инфраструктуры управления движением с современными средствами телематики.
Диспетчерские навигационные системы (ДНС) предназначены для передачи данных о местоположении ПС на диспетчерский пункт (в частном случае АТО). В зарубежной литературе подобные системы называются Automatic Vehicle Location Systems (AVLS, или AVL).
Использование системы диспетчерского управления способствует повышению эффективности работы транспорта АТО в результате того, что уменьшается холостой пробег автомобилей , так как местонахождение транспортного средства известно и с водителем может быть установлен контакт в любое время, возрастает эффективность загрузки и доставки грузов заказчику , так как диспетчер может оперативно реагировать на информацию о наличии груза и свободного места в транспортном средстве, возрастает эффективность работы водителя , так как он не дол жен терять время на вынужденное ожидание заданий на перевозки, отклоняться от маршрута и искать телефон для связи (водитель может стоять в очереди на таможенном пункте и одновременно держать связь со своим офисом вместо того, чтобы терять время на вынужденную парковку и поиск телефона для связи с диспетчером ), уменьшаются расходы на телефонную связь в результате более эффективного вида связи — передачи данных и экономии времени при занятости телефонных линий связи или отсутствия абонента на рабочем месте.
Подтверждение о доставке груза получателю дается немедленно, что позволяет без промедления выставить счет заказчику, а не ждать, когда транспортное средство вернется на базу. Кроме того, заказчику может быть представлено доказательство того, что груз перевозился в соответствии с требованиями заказчика.
Диспетчер может осуществлять непосредственный контроль состояния груза и оперативно передавать эту информацию заказчику.
Улучшается планирование ремонта и техобслуживания, так как управляющий транспортными средствами имеет больше информации о состоянии транспортных средств и расписании их движения в то время, когда машины находятся еще далеко от базы.
Повышается уровень обслуживания клиентов путем их информирования о процессе транспортировки и качественном состоянии груза во время его перевозки или прибытия автобусов на остановочный пункт. Это особенно важно при транспортировке ценных, скоропортящихся, опасных грузов, для рефрижераторного парка и при доставке грузов в точно установленные сроки, при работе автобусов в условиях плотного движения, на загородных трассах и т.п.
Все эти факторы позволяют достичь главной цели любой коммерчески управляемой деятельности — сократить эксплуатационные расходы и повысить доход за счет оптимизации работы транспорта и персонала компании.
В ДНС, как это показано на рис. 2.26, дополнительно появляются блоки передачи координат ПС в АТО и соответствующее программное обеспечение диспетчерского пункта. Передача координат может осуществляться с помощью космической, модемного, транкинговой или сотовой связи.
Рис. 2.26. Схема работы ДНС с вариантами передачи данных о местоположении транспортного средства
При использовании космической связи выбор может быть сделан между двумя принципиально разными системами — на базе геостационарных спутников Inmarsat и Eutelsat и низкоорбитальных спутников Iridium, Orbocomm (спутниковые терминалы Magellan).
Системы на базе геостационарных спутников. Основная группа систем контроля дальних перевозок основанная на данном типе спутников: система Inmarsat, системы OmniTRACS и EutelTRACS.
Система Inmarsat созданная в 1979 г первоначально как межгосударственная организация для поддержки служб спасения, но впоследствии была преобразована в публичную компанию. Состоит из сети наземных станций и 11 спутников. В настоящее время для клиентов доступна Inmarsat BGAN — современная широкополосная спутниковая сеть связи (Broadband Global Area Network) с глобальным покрытием, что обеспечивает высокоскоростную передачу данных в IP-сетях. Система Inmarsat обеспечивает передачу информации между подвижными объектами и диспетчерскими пунктами на всей территории земного шара, за исключением приполярных областей. Время доставки информации в системе — от 5 до 15 мин в завісімосгі от системы поддержки диспетчерского пункта. Для контроля над дальними перевозками такое время доставки информации вполне приемлемо, и период обновления информации о состоянии объекта обычно составляет 1 ч. Для автомобильного транспорта Inmarsat предлагает специализированный сервис IsatData Pro с функциями навигации и передачи коротких сообщений [4] . В РФ национальным оператором сети Inmarsat и ее акционером является Федеральное государственное унитарное предприятие «Морсвязьспутн и к» [5] .
Система EutelTRACS компании Qualcomm была реализована в 1992 г как европейская версия системы OmniTRACS, которая широко распространена в Америке. Именно транспортные компании стали ее основными потребителями. Система EutelTRACS обеспечивает двустороннюю передачу буквенно-цифровых сообщений. Вся входная и выходная информация документируется. При этом фиксируются позывной передатчика, время выхода на связь, текст сообщения и координаты места, откуда оно было отправлено. Изменение координат объекта автоматически уточняется через каждый час с точностью до 100 м. Диспетчер может наблюдать за маршрутом движения по электронной карте. В связи с тем что система не работает в режиме реального времени, она мало пригодна для контроля работы городских автобусов. С точки зрения потребителя имеет схожие характеристики с компонентами системы Inmarsat. Системы используют различные частотные диапазоны, но состав мобильных терминалов и функциональные возможности систем практически одинаковы. Мобильный терминал в системе EutelTRACS имеет размеры, в 2-3 раза превышают размеры терминала Inmarsat, но для установки на грузовые машины это не является недостатком. На сегодняшний день система покрывает почти всю территорию РФ, за исключением Дальнего Востока. Есть различия в системе оплаты трафика Inmarsat и EutelTRACS: в Inmarsat оплачивается только фактически передана информация, а в EutelTRACS присутствует обязательная абонентская плата за фиксированный объем информации. При редком обмене информацией в системе выгоднее оплата трафика Inmarsat, при насыщенном — в EutelTRACS.
Системы на базе низкоорбитальных спутников. Низкоорбитальные системы наиболее привлекательны из-за более низкую стоимость оборудования, но появились на рынке навигационных систем сравнительно недавно.
Система Iridium [6] имеет глобальную зону покрытия за счет большого количества космических аппаратов — 66. Система предполагает большой перечень услуг: телефонная связь, передачу алфавитно-цифровых сообщений на пейджер Iridium, переадресацию вызова, конференц-связь, передачу факсимильных сообщений, голосовую почту, передач} ‘данных и др. Национальным оператором системы является Федеральное государственное унитарное предприятие «Морсвязьспутнік».
Система ORBCOMM [7] предназначается для автоматизированного сбора информации о состоянии объектов, предоставления услуг электронной почты, решения навигационных задач на транспорте. Система имеет интерфейс Reefer Monitoring ROI, который совместим с системами мониторинга температурного режима в большинстве типов рефрижераторных контейнеров и может следить за соблюдением заданных температурных параметров, фиксировать вскрытие контейнера и передавать эти данные в диспетчерский центр.
Транкинговые системы связи могут покрывать значительные площади. За счет связи отдельных ретрансляторов в единую логическую структуру, потребитель избавляется от необходимости заботиться о переключении радиочастотных каналов при перемещении в рамках системы. В мире, в том числе в России, развернуты и эксплуатируются транкинговые системы различных стандартов: SmarTrunk, MPT 1327, LTR, SmartZone, EDACS и т.п. В нашей стране наиболее перспективны как база для построения систем контроля ПС системы стандартов МРТ 1327 и LTR. На сегодняшний день много фирм предлагают в рамках стандарта МРТ 1327 использования SDM (Short Data Message — служба коротких цифровых посылок). При этом нет явного конфликта между передачей навигационной информации и голосовых сообщений, уменьшается время передачи единичной посылки цифровой информации до долей секунды (если передавать по голосовому каналу, то это время может быть 2-4 с). Стандарт LTR имеет только голосовой канал, но более высокие показатели скорости передачи данных.
При выборе для передачи координат ПС сотовой связи необходимо учитывать зону покрытия и загруженности сетей оператора в данном регионе. Использование сотовой связи, несомненно, является наиболее привлекательным для перевозчика с точки зрения доступности и стоимости как оборудования, так и эксплуатации. В то же время сеть не обеспечивает в РФ 100% покрытие даже федеральных автомобильных дорог, и если необходимо обеспечить повышенную безопасность или перевозки выполняются в малонаселенной местности, передача координат может быть обеспечена только с помощью космических систем связи. Необходимо также учитывать, что сотовые операторы не гарантируют время доставки коротких сообщений, поэтому данные с координатами ПС могут приходить в АТО с существенными задержками.
С целью минимизации затрат наиболее удобный вариант, когда данные о местоположении ПС на диспетчерский пункт можно получить через Internet. В этом случае не требуется оснащение диспетчерского пункта дорогим картографическим программным обеспечением. Достаточно доступа в Internet с помощью стандартной программы просмотра.
Современная концепция построения диспетчерских навигационных систем предполагает их телекоммуникационное обеспечение с помощью внешних аппаратно-программных средств (каналов связи), арендованных у предприятий-операторов. Передача данных по стандартным телефонным каналам связи в настоящее время технически и экономически малоэффективна, что заставляет разработчиков информационных систем применять средства связи, используют современные технологии передачи данных. Операторы связи, со своей стороны, предлагают услуги передачи данных, позволяющие эффективно работать современным навигационным системам.